張穎君 褚衍坡 徐國慶

1 工程概況

川氣東送管道工程西起川東北普光首站，東至上海末站，是繼西氣東輸管線之后又一條貫穿我國東西部地區(qū)的天然氣管道大動(dòng)脈，管道主干線自西向東途經(jīng)四川、重慶、湖北、安徽、江蘇、浙江、上海，全長約1 700 km。

盾構(gòu)機(jī)主機(jī)到達(dá)接收井，在拼裝環(huán)片的過程中發(fā)生突發(fā)性的意外施工事故，造成接收井井口至大堤一側(cè)隧道軸線方向發(fā)現(xiàn)地表沉降，地面沉降長度約101 m，寬度約30 m，最深達(dá)到6 m左右。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況，考慮到施工的具體措施，提出越江隧道原位凍結(jié)加固盾構(gòu)拆除、異位新建豎井冰塞封水的方案。根據(jù)詳細(xì)勘察資料，地下水位埋深較淺，地下水水位受江水控制，考慮到不影響工程總工期，新工作井采取液氮凍結(jié)。

2 方案設(shè)計(jì)的基本參數(shù)

2.1 凍結(jié)深度

根據(jù)提供的資料，越江隧道的內(nèi)徑3 080 mm，外徑3 540 mm，隧道的中心埋深31 m，新工作井槽壁埋深44 m，底板埋深37.5 m，凍結(jié)深度為44 m。

2.2 加固體尺寸確定

經(jīng)計(jì)算，加固體計(jì)算厚度0.54 m，可以滿足安全系數(shù) 1.5的要求。因?yàn)橐旱獌鼋Y(jié)所形成的凍結(jié)壁的平均溫度可達(dá)-15℃，為此液氮封堵凍結(jié)加固體厚度取為1.1 m。經(jīng)驗(yàn)算滿足強(qiáng)度要求。

3 液氮凍結(jié)施工

3.1 凍結(jié)管加工

凍結(jié)管選用φ 89×4 mm的不銹鋼無縫鋼管，采用打坡口用不銹鋼焊條對(duì)接焊。供液管選用φ 32×3.5 mm不銹鋼無縫鋼管，采用打坡口用不銹鋼焊條對(duì)接焊。第一根供液管下部500 mm加工成花管，花管φ 5 mm。供液管引出凍結(jié)管管口后，把凍結(jié)管管口用10 mm厚的鋼板封上。在凍結(jié)管一側(cè)開φ 32 mm的孔，安裝排氣管。凍結(jié)管內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面圖見圖1。

3.2 凍結(jié)系統(tǒng)的安裝

3.2.1 液氮分配器的制作

液氮分配器采用1 m長的φ 89×4 mm不銹鋼無縫鋼管焊接，通過不銹鋼軟管和液氮槽車連接。輸入口安裝DN40的低溫截止閥和壓力表，輸出口安裝DN25低溫截止閥，用來控制每個(gè)凍結(jié)孔的液氮流量(見圖2)。

3.2.2 凍結(jié)系統(tǒng)的保溫

為了減少冷量的損失，所有暴露于空氣中的管路，包括連接不銹鋼軟管、控制閥、連接接頭等都進(jìn)行了保溫處理，保溫時(shí)先采用50 mm厚的聚苯乙烯保溫材料保溫，然后加6層密封薄膜密封。

3.3 凍結(jié)施工

3.3.1 凍結(jié)系統(tǒng)的預(yù)冷

正式凍結(jié)前，需要對(duì)整個(gè)凍結(jié)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)冷處理。即在液氮凍結(jié)前，使用低溫氮?dú)鈱?duì)整個(gè)凍結(jié)系統(tǒng)進(jìn)行充分預(yù)冷。

在預(yù)冷凍結(jié)階段控制閥門，使進(jìn)入供液管內(nèi)的氮?dú)饩S持在-30℃以上，預(yù)冷1 h后，逐漸降低輸入的氮?dú)鉁囟?，? h～12 h后，逐漸向供液管內(nèi)輸入液氮，開始正式凍結(jié)。

3.3.2 凍結(jié)的控制

在積極凍結(jié)期間，為了盡快達(dá)到封水的目的，加大了液氮的供應(yīng)量，保證液氮槽車的供液壓力在0.3MPa～0.45 MPa之間、分配器供液壓力在0.05 MPa～0.2 MPa之間、排氣溫度在-100℃～-130℃之間。

在凍結(jié)過程中，根據(jù)測(cè)溫孔的溫度變化，判斷凍結(jié)帷幕的發(fā)展情況。凍結(jié)帷幕的厚度和強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求以后，可以維持冷凍，并進(jìn)行試抽水排砂工作。

消極凍結(jié)期間，排氣溫度應(yīng)根據(jù)實(shí)際的測(cè)溫情況來定，一般在-85℃～-110℃之間，保證凍結(jié)壁的有效厚度和強(qiáng)度。

4 凍結(jié)系統(tǒng)的信息化監(jiān)測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

1)液氮供液管口溫度監(jiān)測(cè)。為了控制液氮的供液，在液氮供液管口布置溫度測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，控制凍結(jié)過程中的液氮供應(yīng)，特別是作為凍結(jié)預(yù)冷階段的低溫氮?dú)鉁囟瓤刂频囊罁?jù)。2)排氣口溫度的監(jiān)測(cè)。在排氣管口布置溫度測(cè)點(diǎn)，對(duì)氮?dú)獾呐欧艤囟冗M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證凍結(jié)持續(xù)進(jìn)行，充分發(fā)揮液氮低溫速凍的效果，同時(shí)也是控制液氮供應(yīng)量的依據(jù)之一。3)測(cè)溫孔溫度監(jiān)測(cè)。在D5′和D5″中心連線位置布置一個(gè)測(cè)溫孔，測(cè)溫孔深度為40 m，測(cè)溫孔內(nèi)每間隔6 m～7 m布置一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，以便于有效測(cè)量凍結(jié)帷幕的發(fā)展范圍。4)壓力監(jiān)測(cè)。對(duì)液氮罐和分配器內(nèi)的壓力要進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每 30 min做一次記錄，保證液氮罐內(nèi)壓力在0.3 MPa～0.45 MPa，分配器內(nèi)壓力保持在0.05 MPa～0.2 MPa，保證每個(gè)凍結(jié)孔內(nèi)液氮的分配均勻，同時(shí)保證液氮在到達(dá)凍結(jié)管底部之后再蒸發(fā)。5)供用量監(jiān)測(cè)。對(duì)液氮罐內(nèi)液氮液位每30 min做一次記錄，通過液位變化帶控制液氮的供用量，以保證液氮持續(xù)均勻供給。6)水位監(jiān)測(cè)。對(duì)工作井、水源井和江面水位每隔12 h要進(jìn)行一次測(cè)量，并做出記錄，便于分析工作井中水位變化情況，為工作井的抽水工作提供依據(jù)。7)地表沉降監(jiān)測(cè)。為了防止凍脹對(duì)地表結(jié)構(gòu)體的破壞，在凍結(jié)區(qū)域20 m范圍內(nèi)設(shè)置地表變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每隔12 h進(jìn)行一次測(cè)量。8)槽壁位移監(jiān)測(cè)。為防止凍脹影響使槽壁發(fā)生位移，在凍結(jié)區(qū)的槽壁上設(shè)置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每隔12 h進(jìn)行一次測(cè)量。

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

從溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，3月22日預(yù)留孔位開始凍結(jié)，27日增加的孔位也開始凍結(jié)，4月11日大部分測(cè)溫孔測(cè)點(diǎn)溫度均在-10℃以下，凍結(jié)情況良好。通過沉降和位移監(jiān)測(cè)，均在允許范圍內(nèi)，未對(duì)長江大堤造成影響。

5 結(jié)語

整個(gè)工程于3月22日開始液氮凍結(jié)，4月11日試抽水，15 d形成凍結(jié)壁。從開挖情況來看凍結(jié)壁發(fā)展良好，豎井周圍凍脹量較小。液氮凍結(jié)法施工便捷，不需要安裝凍結(jié)機(jī)房和復(fù)雜的鹽水管路，凍結(jié)周期短，形成的凍土溫度低，強(qiáng)度高，封水性好。而且由于凍結(jié)溫度低，凍土中水分遷移量小，與鹽水凍結(jié)相比產(chǎn)生的凍脹和融沉量較小，對(duì)周圍環(huán)境影響小。當(dāng)凍結(jié)區(qū)域存在少量動(dòng)水時(shí)，液氮凍結(jié)也能形成凍土封水。因此液氮凍結(jié)特別適合那些地質(zhì)條件復(fù)雜，場(chǎng)地有限或?qū)て谟袊?yán)格要求的工程。

[1] 翁佳杰.液氮凍結(jié)土層的理論和實(shí)踐[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，1994(2):11-17.

[2] 王朝暉，朱向榮，曾國熙.動(dòng)水條件下土層液氮凍結(jié)模型試驗(yàn)的研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，1998(9):5-8.